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UNIVERSIDAD CATOLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESPECIALIZACION EN INGENIERIA DE PAVIMENTOS
BOGOTA D.C
Estudio del desempeño mecánico de una mezcla asfáltica natural, proveniente de la
mina de pavas, en el departamento del Caquetá
Diego Enrique Cruz Chala
Wilder Orley Salazar Cuellar
Estudio del desempeño mecánico de una mezcla asfáltica natural, proveniente de la
mina de pavas, en el departamento del Caquetá
Diego Enrique Cruz Chala
Wilder Orley Salazar Cuellar
Coordinador: Juan Gabriel Bastidas Martínez, (Ph. D.)
Proyecto presentado como requisito para optar el titulo de:
“Especialista En Ingeniería De Pavimentos”
Universidad Catolica De Colombia
Facultad De Ingeniería
Especialización en Ingeniería de Pavimentos
Bogotá D.C - Colombia
2019
Nota de Aceptación:
____________________________________________________
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Firma del Presidente del Jurado
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Firma del Jurado
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Firma del Jurado
Bogotá, Junio de 2019
DEDICATORIA
Ante todo, a Dios por habernos acompañado y guiado a lo largo de todo el postgrado; por
concedernos la sabiduría y entendimiento para poder obtener nuestros logros; por brindarnos una
vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad.
A mis padres, mi esposa, maestros y demás familiares, por ser mi mayor apoyo y motivación en
mi vida encaminada al éxito profesional, que sin su ayuda no sería posible este gran logro.
AGRADECIMIENTOS
Deseamos expresar nuestros sinceros agradecimientos al Coordinador de la Especialización en
Ingeniería de Pavimentos de la Universidad Católica de Colombia, Ph.D. Juan Gabriel Bastidas
Martínez, a nuestro asesor de esta tesis de especialización, Ph.D. Juan Carlos Ruge, por la
confianza ofrecida, dedicación y apoyo que han brindado a este trabajo, por el respeto a nuestras
sugerencias e ideas, por su paciencia ante nuestras inconsistencias, por su valiosa dirección
profesional que ha sido fuente de motivación para llegar a la conclusión de esta tesis.
Agradecemos al jurado de tesis asignado, Ing. Brayan Gerardo Arévalo por sus orientaciones
oportunas. Así mismo, agradecemos al Laboratorista de la Universidad Católica de Colombia
Hugo Alfonso Rondón por su colaboración en la ejecución de los ensayos de laboratorio; al
laboratorio particular “Geocon Ingeniería” en Florencia-Caquetá que nos facilitó sus
instalaciones para realizar parte de los ensayos de laboratorio. Agradecemos a nuestros maestros
y compañeros de la Especialización por su apoyo personal y humano.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................6
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .....................................................................................8
3. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................9
4. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 11
4.1 Objetivo General: .................................................................................................................... 11
4.2 Objetivo específicos: ............................................................................................................... 11
5. MARCO TEÓRICO: ................................................................................................................. 12
6. MARCO CONCEPTUAL ......................................................................................................... 18
7. UBICACIÓN ............................................................................................................................. 20
8. METODOLOGIA ..................................................................................................................... 22
9. RESULTADOS Y ANALISIS .................................................................................................. 31
10. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 49
RECOMENDACIONES ................................................................................................................... 51
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 52
GLOSARIO ...................................................................................................................................... 54
ANEXO .......................................................................................................................................... 549
1
Lista de Tabla
Tabla 1 Franjas granulométricas de agregados para mezcla asfáltica natural. Fuente:
especificación particular del INVIAS, Articulo 442P-17 ............................................................. 23
Tabla 2 Gradación partículas que componen la mezcla asfáltica natural. .................................... 31
Tabla 3 Gradación mezcla asfáltica natural MAN19. ................................................................... 32
Tabla 4 Granulometría agregados para mezclas asfálticas en caliente. Fuente: Instituto de
Desarrollo Urbano-IDU. Especificaciones Técnicas, 2011). ........................................................ 33
Tabla 5 Pesos tomados para calcular el contenido de asfalto. ...................................................... 35
Tabla 6 Calculo del contenido de asfalto. ..................................................................................... 35
Tabla 7 Resultados de laboratorio Ensayo Cantabro. ................................................................... 37
Tabla 8 Resultados obtenidos en laboratorio, ensayo de Tracción Indirecta. ............................... 40
Tabla 9 Criterios Marshall del Instituto Norteamericano del Asfalto Fuente: especificación
particular del INVIAS, Articulo 442P-17. .................................................................................... 41
Tabla 10 Análisis resultados ensayo Tracción Indirecta mezcla asfáltica natural. ....................... 42
Tabla 11 Comparativos Criterios diseño IDU, 2011. Mezcla MD-12, Asfaltita “Pavas”. ........... 43
Tabla 12 Resultados ensayo por el método Marshall Mezcla asfáltica natural “Las Pavas ......... 45
2
Lista de Figuras
Figura 1 Yacimiento roca asfáltica (Foto: Wilder O. Salazar, Mina de Pavas, Paujil-Caquetá,
2014) ............................................................................................................................................. 12
Figura 2 Aspecto Luego de explotado Asfalto Natural (Foto: Wilder O. Salazar, 2014)............. 14
Figura 3 Ubicación Cuencas Sedimentarias en Colombia Geología y geomorfología
(Ingeomonas-2008) ....................................................................................................................... 15
Figura 4 Ubicación Algunas Fuentes Asfalto Natural en Colombia Fuente. Investigación sobre
asfaltitas. Laboratorio INVIAS. 1989 ........................................................................................... 16
Figura 5 Ubicación Mina de Pava, Municipio de Paujil-Caquetá ................................................ 20
Figura 6 Frente explotación (Foto: Wilder O. Salazar, 2014). Mina de Pavas, Paujil-Caquetá ... 21
Figura 7 Mina de Pavas, Paujil-Caquetá (Foto: Wilder O. Salazar, 2014). .................................. 21
Figura 8 Metodología de la investigación. .................................................................................... 22
Figura 9 Curva Granulométrica Mezcla Asfáltica Natural Mina Las Pavas. ............................... 31
Figura 10 Curva granulométrica de mezcla asfáltica natural estudio vs MAN19. ....................... 33
Figura 11 Comparación Curva granulométrica MD-12 con gradación de la Asfaltita. ................ 34
Figura 12 Resultados de estabilidad en de cada briqueta ............................................................. 46
Figura 13 Criterios de diseño de estabilidad IDU 2011 – Especificación INV Art 442P ............ 46
Figura 14 Comportamiento del flujo respecto la estabilidad. ....................................................... 47
Figura 15 Comportamiento de la rigidez respecto la estabilidad. ................................................. 48
3
Lista de Imágenes
Imagen 1 Ensayo cántabro. ........................................................................................................... 38
Imagen 2 Ensayo de Tracción Indirecta........................................................................................ 39
Imagen 3 Elaboración de briquetas de ensayo y Ensayo Marshall ............................................... 44
4
RESUMEN
El presente trabajo de investigación se fundamenta en la identificación de las características
físico mecánicas de una mezcla de asfalto natural extraída tal como sale de la mina Las Pavas,
ubicada en la parte norte del Departamento del Caquetá, mediante la ejecución de ensayos de
caracterización cuantitativos y ensayos mecánicos.
Para la recolección de la muestra asfáltica natural y fabricación de las briquetas de ensayo,
realizamos la extracción del material de forma manual con herramientas menores a cielo abierto
en una zona puntual, donde se considera se extrae la de mejor calidad. Se lleva la muestra al
laboratorio donde se inicia la ejecución de la caracterización de la mezcla por medio de
extracción cuantitativa de sus componentes (agregado fino y grueso) y se determina el contenido
de asfalto. Seguidamente realizamos la fabricación de los especímenes de ensayo de asfalto
natural a temperatura ambiente, para cada ensayo mecánicos se realizan tres (3) briquetas por
cada muestra extraída.
Luego realizamos los ensayos mecánicos en el laboratorio: ensayo Marshall, donde
determinamos los parámetros de resistencia a la deformación plástica bajo carga monotónica a
través de la relación entre la estabilidad y Flujo; el ensayo de Tracción Indirecta, el cual mide el
potencial de daño por efecto del agua sobre la resistencia a la tracción; ensayo Cántabro, el cual
mide el valor de la pérdida por desgaste de las mezclas asfálticas, permite valorar directamente la
cohesión, trabazón, así como la resistencia a la disgregación de la mezcla, ante los efectos
abrasivos y de succión originados por el tráfico.
5
Con los resultados obtenidos entramos a la fase del análisis y comparación con los diseños de
mezclas propuestos en los requerimientos de la especificación particular del INVIAS Art.442P-
2017. En la última fase se determina la condición definitiva del asfalto natural y se concluye con
criterios verídicos que el material no es competente para ser utilizado en proyectos de
construcción de pavimentos flexibles en vías terciarias.
SUMMARY
The present research work is based on the identification of the physical and mechanical
characteristics of a mixture of natural asphalt extracted as it leaves from Las Pavas mine, located
in the northern part of the Department of Caquetá, through the execution of quantitative
characterization tests and mechanical tests.
For the collection of the natural asphalt sample and manufacture of the test briquettes, it was
donde the manually extraction of the material with minor open-pit tools in a specific area, where
the best quality is considered. The sample is taken to the laboratory where the execution of the
characterization of the mixture begins by means of quantitative extraction of its components
(fine and coarse aggregate) and the asphalt content is determined. Next was made the
manufacture of the test specimens of natural asphalt at ambient temperature, for each mechanical
test, three (3) briquettes are made for each extracted sample.
Then the mechanical tests were perfomed in the laboratory: Marshall test, where the parameters
of resistance to plastic deformation under monotonic load were determined through the
relationship between stability and flow; the Indirect Traction test, which measures the damage
potential due to the effect of water on the tensile strength; Cantabrian test, which measures the
value of the wear loss of the asphalt mixtures, allows to directly assess the cohesion,
interlocking, as well as the resistance to the disintegration of the mixture, in relation to the
abrasive and suction effects caused by the traffic.
With the obtained results we enter the phase of analysis and comparison with the mix designs
proposed in the requirements of the particular specification of INVIAS Art.442P-2017. In the
last phase the definite condition of the natural asphalt is determined and it is concluded with true
criteria that the material is not competent to be used in projects of construction of flexible
pavements in tertiary roads.
6
1. INTRODUCCIÓN
Dentro del contexto nacional, el mantener en buenas condiciones la red vial se constituye como
parte fundamental en el fortalecimiento de la economía y la calidad de vida de sus habitantes,
permitiendo mayor facilidad de conexión y movilización de las poblaciones rurales a los centros
urbanos. En el caso de las vías terciarias y secundarias de nuestro país, en su mayoría están
sometidas a un gran deterioro, en algunos casos, debido a las condiciones climáticas, condición
geológica, la utilización de materiales no convencionales incompetentes propuestos en los
diseños; y que requieren de mantenimientos continuos generando grandes inversiones.
De esta manera, surge la necesidad de implementar procedimientos novedosos utilizando
materiales eficientes que disminuyen costos en su facilidad de obtención, reduciendo distancias
de acarreos hacia las zonas rurales y generar un menor impacto ambiental.
Debido a las condiciones geológicas presentes en algunas regiones de Colombia, donde existe
abundancia y facilidad de extracción de un material no convencional llamado Asfalto natural o
Asfaltita, que podría ser utilizado para la construcción de pavimentos flexibles en vías terciarias
como alternativa de reemplazo por el asfalto procesado derivado del petróleo, el cual genera
altos niveles de contaminación y emisión de gases tóxicos en su proceso de fabricación.
A través de este trabajo de investigación, se promueve realizar el estudio del desempeño físico
mecánico de una mezcla de asfalto natural extraída de la mina Las Pavas, ubicada en la parte
norte del Departamento del Caquetá, donde se conocerá su composición granulométrica y
contenido de asfalto de forma cuantitativa en laboratorio; los parámetros de resistencia
(Estabilidad máxima, deformación) y parámetros volumétricos; con el fin de comparar sus
condiciones con los diseños de mezclas propuestos en los requerimientos de la especificación
7
particular del (Vías-INVIAS., 2017), y determinar si es apto para el uso en proyectos de
construcción de pavimento flexible para vías terciarias.
El asfalto natural es una sustancia solida o viscosa combinada con materiales pétreos y
bituminosos, de aspecto resinoso y fractura conoidal, que tiene que su origen en yacimientos de
rocas asfálticas, por lo general calizas, areniscas y gravas, conglomeradas impregnadas de asfalto
natural.
8
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿La viabilidad de usar el asfalto natural en algunos lugares del territorio nacional, en
proximidades a sus fuentes, en la pavimentación y mejoramiento de vías terciarias, de forma
confiable, con bajos costos de producción y contribuyendo a la disminución y mitigación de
impactos ambientales?
9
3. JUSTIFICACIÓN
Debido a las exigencias crecientes de la economía mundial, los países en desarrollo como es el
caso colombiano, requieren una mayor cobertura en infraestructura vial, debido a lo cual se
busca reducir los costos de producción, dando un mayor alcance a los recursos del estado.
Teniendo en cuenta, que para mejorar una carretera se requiere la inversión de grandes
cantidades de recursos y teniendo en cuenta el nivel de transito escaso en la mayoría de vías de
segundo y tercer orden, los indicadores de relación Beneficio/Costo al igual que la tasa interna de
retorno son totalmente adversos para la inversión en infraestructura de este tipo.
Por lo tanto en la búsqueda de materiales y procesos más eficientes a menores costos, se han
venido usando los asfaltos naturales en diversas formas en algunos lugares del territorio nacional,
los cuales son próximos a las fuentes o minas donde se explota como es el caso objeto de este
estudio la mina de Pavas ubicada en la zona norte del departamento del Caquetá, que son
utilizados en la mayoría de los casos en forma empírica sin estudios previos de caracterización
y/o resistencia de los mismos.
El estado colombiano a través del Instituto Nacional de Vías, ha realizado estudios y algunas
experiencias de investigación, encaminadas a conocer las características de los asfaltos naturales
que se encuentran distribuidas en las diferentes cuencas sedimentarias colombianas.
Con base a los resultados de investigaciones y experiencias del asfalto natural en la
pavimentación de vías, a lo largo de los años, el INVIAS expidió la resolución número 10099 del
27 de diciembre de 2017 (Vías-INVIAS., 2017) donde se adoptan las Especificaciones
Particulares de Construcción como alternativas de pavimentación utilizando asfalto natural en
vías con bajos volúmenes de tránsito, categoría NT1, por considerar estos materiales aunque son
10
no convencionales, pueden llegar a ser implementados en la pavimentación de vías terciarias de
la Red Vial Nacional. (Vías-INVIAS., 2017)
La presente investigación pretende dar a conocer el comportamiento mecánico de muestras
fabricadas a partir de la asfaltita pura, extraída de la mina de Pavas ubicada en la parte norte del
Departamento del Caquetá, con el fin de conocer su viabilidad ante la puesta en obra sobre vías
terciarias.
11
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo General:
El presente estudio de investigación, tiene como finalidad conocer, evaluar las características
físico - mecánicas de una mezcla asfáltica natural, proveniente de la mina Las Pavas, zona norte
en el Departamento del Caquetá, y determinar cumplimiento a los requerimientos de la
especificación particular del INVIAS (Vías-INVIAS., Especificaciones Técnicas, 2017), (Vías-
INVIAS., Especificación Particular Mezcla Asfáltica Natural. Art. 442P. Resolución N°10099,
2017), “Mezcla asfáltica natural”, como alternativas de pavimentación utilizando Asfalto Natural
en vías con bajos volúmenes de tránsito, categoría NT1”.
4.2 Objetivo específicos:
Conocer el contenido de asfalto y la distribución granulométrica de los agregados finos y
gruesos por medio de extracción cuantitativa de la muestra de asfalto natural.
Establecer si la composición granulométrica de la mezcla asfáltica natural, se ajusta al tipo de
gradación de diseño para capas asfálticas, propuestos en la especificación particular del
INVIAS, Articulo 442P-17.
Mediante ejecución del ensayo de tracción indirecta, analizar y determinar el potencial de
daño por efecto del agua.
Conocer los parámetros de resistencia (Estabilidad máxima, deformación) y los parámetros
volumétricos mediante el ensayo Método Marshall.
12
5. MARCO TEÓRICO:
El asfalto natural o “Asfaltita”, se aplica a todos aquellos materiales encontrados en la
naturaleza, que contienen alguna proporción de crudos de petróleo en forma sólida o liquida,
compuesto esencialmente por arenas finas y conglomerados de distintos tamaños y formas (Vías-
INVIAS., Especificaciones Técnicas, 2017)
Tiene su origen en yacimientos de rocas asfálticas, por lo general calizas, areniscas y gravas
impregnadas de asfalto, su clasificación está determinada por el origen como cualquier otro
elemento natural sometido al intemperismo y la acción geológica; de esta forma se pueden
encontrar asfaltos nativos, sólidos o semisólidos, por ejemplo puros asociados con materia
mineral y asfaltitas duras (Glisonitas). Desde el punto de vista de su evolución los asfaltos
naturales pasaron por: polimerización, oxidación y supuración antes de convertirse en las
diferentes formas de asfaltitas sólidas que se conocen actualmente. (Abraham, (1960))
Figura 1 Yacimiento roca asfáltica (Foto: Wilder O. Salazar, Mina de Pavas, Paujil-Caquetá, 2014)
13
Es claro que cualquiera que sea la clase su origen es el mismo, “mezcla de sustancias químicas
orgánicas provenientes de plantas o animales microscópicos que vivieron en los mares hace
millones de años”, variando solamente las condiciones geológicas o ambientales a las cuales
fueron expuestas en el tiempo.
Los materiales asfalticos, tipo asfaltitas o asfaltos naturales que se emplean en la industria de la
construcción y de los cuales se ha tenido alguna experiencia en Colombia son:
1. Grupo I: Crudos pesados
2. Grupo II: Asfaltos naturales generados por el afloramiento de crudos y que se encuentran
mezclados en diversas proporciones con materiales circundantes de las fuentes,
agregados, material orgánico y agua.
3. Grupo III: Asfaltos naturales sólidos (Asfaltitas), producidas por efectos tectónicos y que
tienen muy poco o ningún porcentaje de solventes volátiles.
El tercer grupo constituido por los asfaltos naturales, el cual será objeto de este estudio,
caracterizados por ser una mezcla de crudo, materiales inertes, materia orgánica y agua en
diferentes proporciones, en este caso el crudo es un bitumen que afloró a la superficie a causa de
cambios de posición de los estratos geológicos debidos al tectonismo y que se mezcló con los
materiales circundantes, encontrándose fuentes de material con diferentes porcentajes de crudo.
(Ruiz-Acero, Reyes-Ortiz, & Moreno, 2016)
14
Figura 2 Aspecto Luego de explotado Asfalto Natural (Foto: Wilder O. Salazar, 2014)
En Colombia las fuentes de asfalto natural se encuentran distribuidas por las once (11) grandes
cuencas sedimentarias con las que cuenta Colombia que ocupan un área aproximada de 88.7
millones de hectáreas, con lo que el 40% del territorio colombiano corresponde a cuencas
sedimentarias, en las que se pueden encontrar hidrocarburos.
En estas cuencas se pueden encontrar fuentes de asfaltos naturales son: cuenca de la Guajira,
cuenca Valle Inferior, Cuenca Choco-Pacifico, Cuenca Valle Medio, Cuenca Cordillera Oriental,
Cuenca Llanos Orientales, Cuenca Valle Interior, Cuenca Patía, Cuenca Amazonas, Cuenca
Putumayo y Cuenca. (Geología y geomorfología. Ingeomonas-2008).
15
Figura 3 Ubicación Cuencas Sedimentarias en Colombia Geología y geomorfología (Ingeomonas-2008)
Encontrándose dentro de estas cuencas, distribuidas por la geografía nacional fuentes de asfalto
natural, donde se han contabilizado cerca de cuarenta fuentes de asfaltos naturales y varios
yacimientos de crudos superpesados.
Entre las que están las fuentes de asfalto natural en el departamento del Caquetá como Doncello,
Pavas, las Perlas, Los Cuervos, entre otras.
16
Figura 4 Ubicación Algunas Fuentes Asfalto Natural en Colombia Fuente. Investigación sobre asfaltitas. Laboratorio INVIAS.
1989
Una fuente de material de esta naturaleza es de gran beneficio para cualquier zona del país, ya
que la aplicación industrial de las asfaltitas es amplia, utilizada para aplicaciones que se
extienden a:
- Aditivo en explotaciones petroleras
- Elaboración de pinturas
- Elaboración de tintas
- Materiales termoplásticos
17
- Vías, entre otras.
Al emplear materiales regionales con bajos costos de producción, transporte e instalación, hay
una mejora en los indicadores sociales y económicos, teniendo en cuenta que para el
mejoramiento de una vía se requiere la inversión de grandes cantidades de recursos, así los
niveles de transito sean bajos, como en el caso de vías de segundo y primer orden. Es así que la
relación costo beneficio al emplear materiales no convencionales es mayor, de esta forma las
distribución de las inversiones para mejoramiento de la red vial tendrían un ámbito de aplicación
mucho mayor.
Los primeros estudios de este material que se tiene referencia, en este caso, asfaltos naturales,
Corresponden a Abraham Herbert, Estados Unidos, Año 1930; en Colombia se conocen estudios
de la zona del Caquetá, llevados a cabo en el año 1973, por medio de la publicación de (Dowling
& Franco, 1973). Las investigaciones posteriores han sido llevadas a cabo por el Instituto
Nacional de Vías, oficina de estudio e innovación e investigaciones realizadas por algunas
universidades del país en las facultades de ingeniería, como la Universidad de los Andes, U
Católica, U. Militar Nueva Granada, entre otras.
Es así que, en diciembre del 2017, el Instituto Nacional de Vías, por medio de la resolución Nº
10099, crea la especificación particular (Vías-INVIAS., Especificación Particular Mezcla
Asfáltica Natural. Art. 442P. Resolución N°10099, 2017) adaptando las especificaciones
particulares de construcción como alternativas de pavimentación, utilizando asfalto natural en
vías con bajos volúmenes de tránsito, categoría NT1, especificación actualmente vigente a la
realización del presente anteproyecto (Vías-INVIAS., Especificación Particular Mezcla Asfáltica
Natural. Art. 442P. Resolución N°10099, 2017).
18
6. MARCO CONCEPTUAL
Desde hace varios años se utilizan materiales asfálticos no convencionales, para el mejoramiento
de carreteras en las zonas aledañas a sus fuentes de explotación, vías secundarias y terciarias,
como un material alternativo a los pavimentos flexibles que provienen de residuos de la
transformación del petróleo, los cuales son sometidos a temperaturas entre los 150 y 180 grados
centígrados para su fabricación, generando altos niveles de contaminación ambiental y emisión
de gases tóxicos, lo cual a nivel mundial ha creado una conciencia en la búsqueda de disminuir
dicha contaminación y menor emisión de gases.
En la actualidad el asfalto natural se aplica de forma directa como sale de la mina, sin ningún
tipo de tratamiento o adición de algún producto químico.
El asfalto natural tiene un proceso o tratamiento básico para optimizar su calidad, como lo es, el
de simplificar un método de explotación y su homogeneidad para lograr un terminado o
superficie con la menor cantidad de vacíos posibles y garantizar su vida útil.
El presente estudio se encamina a conocer las características de muestras de asfalto natural,
proveniente de la mina Las Pavas, localizada en la zona norte del departamento del Caquetá, a la
cual se realizaran ensayos de caracterización del material, contenido de asfalto, ensayos
mecánicos de tracción indirecta, ensayo Cántabro y Marshall, los cuales son ejecutados teniendo
como referencia las normas y especificaciones del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), con una
metodología que permita obtener resultados (Vías-INVIAS., Especificación Particular Mezcla
Asfáltica Natural. Art. 442P. Resolución N°10099, 2017).
19
De esta forma a través de los resultados obtenidos, se busca definir si este material es competente
para la construcción de vías y de cualquier área que requiera pavimento flexible, cumpliendo las
especificaciones requeridas por el Instituto Nacional de Vías.
20
7. UBICACIÓN
Ubicación de la extracción de la muestra de material: El material estudiado proviene de la mina a
cielo abierto de Asfalto Natural, actualmente en explotación, ubicada en el Municipio de el
Paujil, zona norte del departamento del Caquetá, en el KM 54 de la carretera Florencia – San
Vicente del Caguán.
Se localiza aproximadamente a 200 mts hacia el occidente de la vía principal, con un acceso
carreteable en buenas condiciones, su afloramiento se encuentra sobre el inicio de la ladera de
una zona montañosa.
Figura 5 Ubicación Mina de Pava, Municipio de Paujil-Caquetá
21
Figura 6 Frente explotación (Foto: Wilder O. Salazar, 2014). Mina de Pavas, Paujil-Caquetá
Para llevar a cabo su explotación, se utiliza bulldozer para descapotar y con retroexcavadora para
la extracción propia del material. Dentro de la mina se disgrega el material utilizando el mismo
bulldozer para efectuar los respectivos acopios, los cuales, sin adicionarle ningún elemento,
luego de tres (3) días mínimo de curado, se llevan posteriormente a las vías en pavimentación,
donde se acordona, se extiende y se compacta; labores que son adelantadas con la utilización de
motoniveladora y compactadores convencionales.
Figura 7 Mina de Pavas, Paujil-Caquetá (Foto: Wilder O. Salazar, 2014).
22
8. METODOLOGIA
La estructura metodológica del presente estudio de investigación se ilustra de forma gráfica en el
mapa conceptual de la figura 8.
Figura 8 Metodología de la investigación.
Caracterización de mezcla de asfalto natural “Asfaltita”
Se inicia la primera etapa con la caracterización de la mezcla de asfalto natural, la cual incluye
determinar la composición granulométrica cuantitativa, a partir de la masa y la distribución de
los agregados gruesos y finos recuperados de la mezcla natural, empleando una serie de tamices
con malla de abertura cuadrada progresivamente decreciente hasta el de 75 µm (No.200), según
norma de ensayo INVIAS, INV E-213-13 “Análisis granulométrico de agregados gruesos y
finos”. (Manrique, 2013)
23
Para conocer el comportamiento de los asfaltos naturales “Asfáltita” frente a una mezcla densa
en caliente, vamos a realizar un comparativo con la caracterización granulométrica en su límite
inferior y superior de una mezcla densa MD12 del Instituto de Desarrollo Urbano (IDU).
Los agregados pétreos de la mezcla asfáltica en su estado natural (tal como sale de la mina)
tendrá un tamaño máximo de 19 mm (3/4”) y únicamente será aceptada si la mezcla asfáltica
cumple con cada uno de los requerimientos exigidos en la tabla 1. (INVÍAS, 2013)
TIPO DE
GRADACIÓN
TAMIZ (mm/U.S Standard)
37.5 25.0 19.0 12.5 9.5 4.75 2.36 0.300 0.075
1 1/2 ” 1” 3/4 ” 1/2 ” 3/8 ” No. 4 No. 8 No. 50 No. 200
% PASA
MAN-38 100 80-95 - 62-77 - 45-60 35-50 13-23 3-8
MAN-25 - 100 80-95 - 60-75 47-62 35-50 13-23 3-8
MAN-19 - - 100 80-95 - 50-65 35-50 13-23 3-8
TOLERANCIA
EN
PRODUCCIÓN
SOBRE LA
FORMULA DE
TRABAJO
4% 3% 1%
Tabla 1 Franjas granulométricas de agregados para mezcla asfáltica natural. Fuente: especificación particular del INVIAS,
Articulo 442P-17
Extracción cuantitativa del contenido de asfalto
Continuando con la caracterización de la mezcla natural “Asfaltita”, vamos a conocer el
contenido de asfalto en la mezcla por medio del ensayo Extracción cuantitativa del asfalto en
mezclas en caliente para pavimentos, norma INVIAS, INV E–732–13. Este ensayo consiste en
extraer el asfalto de las mezclas asfálticas por medio de un solvente, utilizando una centrífuga a
3.000 revoluciones por minuto. El contenido de asfalto se calcula por diferencia de peso del
agregado extraído, del contenido de humedad, y del material mineral en el extracto. El contenido
de asfalto se expresa como porcentaje en peso de la mezcla libre de humedad. El porcentaje de
asfalto deberá tener una tolerancia del 1% respecto del óptimo establecido en la fórmula de
trabajo. (INVÍAS, 2013)
24
Seguidamente se procede a realizar la fabricación de los especímenes de ensayo de asfalto
natural “Briquetas” a temperatura ambiente. Los especímenes de laboratorio se pueden moldear
de acuerdo con las normas INVIAS, INV E-747, INV E-748 o INV E-800. Si los especímenes
tienen un diámetro nominal de 101.6 mm, su altura debe ser, como mínimo, 50.8 mm; mientras
que, si el diámetro nominal es de 150 mm, la altura mínima debe ser 75 mm. Para cada ensayo
mecánico en laboratorio, vamos a preparar y ensayar tres (3) briquetas por cada muestra.
(INVÍAS, 2013)
Ensayo Cántabro.
A continuación, realizamos el ensayo Cántabro que se establece según norma INVIAS, I.N.V.
E-760-13 “Caracterización de las mezclas bituminosas abiertas por medio del ensayo Cántabro
de pérdida por desgaste”
Mediante este ensayo podemos determinar el valor de la pérdida por desgaste de las mezclas
asfálticas empleando la máquina de Los Ángeles. Igualmente nos permite valorar directamente la
cohesión, trabazón, así como la resistencia a la disgregación de la mezcla, ante los efectos
abrasivos y de succión originados por el tráfico. (INVÍAS, 2013)
Procedimiento del ensayo:
Se elaboran las probetas de ensayo, para nuestro ejercicio se fabricaron y ensayaron tres (3)
briquetas. Se determina la masa de cada probeta con aproximación de 0.1 g y se anota este valor
como P1. Antes de ensayarlas, las probetas se mantienen a la temperatura de ensayo ambiente
un mínimo de seis (6) horas. Se introduce a continuación una probeta en el bombo de la máquina
de Los Ángeles y, sin la carga abrasiva de las esferas, se hace girar el tambor a la misma
25
velocidad normalizada en las normas INV E 218, INV E 219, de 3.1a 3.5 rad/s (30 a 33 rpm),
durante 300 vueltas.
Al final del ensayo, se saca la probeta y se determina de nuevo su masa con la misma
aproximación de 0.1 g, anotando este valor como .
El ensayo se repite de forma idéntica con cada una de las probetas análogas.
Cálculos:
Se calcula el resultado del ensayo de pérdida por desgaste para cada probeta ensayada, mediante
la expresión:
Donde:
Valor de la pérdida por desgaste, en porcentaje (%)
Masa inicial de la probeta, en gramos, y
Masa final de la probeta, en gramos.
Se calcula el valor medio de todas las probetas análogas ensayadas. (Especificaciones Técnicas.
INVÍAS, 2013).
Ensayo de Tracción Indirecta
Realizamos este ensayo para muestras en estado seco, rigiéndonos bajo la norma INVIAS, INV
E–725–13, “Evaluación de la susceptibilidad al agua de las mezclas asfálticas compactadas
utilizando la prueba de Tracción Indirecta”, con el propósito de medir el potencial de daño por
efecto del agua sobre la resistencia a la tracción indirecta. Igualmente se pretende conocer la
calidad relativa de la mezcla natural y poder estimar su potencial de agrietamiento y de
ahuellamiento.
26
Para nuestro estudio de investigación no se realizó el ensayo en estado húmedo debido a que el
asfalto natural presenta un alto índice de susceptibilidad al estar expuesto al agua por tanto
tiempo, motivo por el cual genera perdida de sus condiciones físico mecánicas, y puede llegar al
estado de disolución de la muestra. (Especificaciones Técnicas. INVÍAS, 2013).
Procedimiento del ensayo de Resistencia a Tracción Indirecta:
a. Se elaboran las probetas de ensayo, para nuestro ejercicio se fabricaron y ensayaron tres (3)
briquetas. La dosificación, mezcla y compactación de los especímenes debe ser de acuerdo
con alguno de los siguientes métodos descritos en las normas INV E –747 ó INV E – 748;
para nuestro ejercicio se realizaron mediante el método Marshall INV E–748, donde se
utilizó el martillo manual. Se compactan los especímenes a 7 ± 1% de vacíos, o a un nivel de
vacíos esperado en el campo en el momento de la construcción.
b. Se determina la gravedad específica máxima teórica de la mezcla de acuerdo con la norma
INV E – 735.
c. Se determina la gravedad específica Bulk de los especímenes compactados de acuerdo con
la norma INV E–733, y se expresa el volumen de cada espécimen en centímetros cúbicos.
d. Se calcula el % de volumen de vacíos con aire respecto del volumen total (%Vv) de cada
espécimen de acuerdo con la norma INV E–736, y se expresa el volumen de aire en
centímetros cúbicos. El volumen de vacíos del espécimen se calcula multiplicando el
volumen total encontrado por el porcentaje de vacíos, dividido entre 100, (%Vv/100).
27
e. Se ajusta la temperatura de los especímenes acondicionados al agua, colocándolos en un
baño a 25 ± 1°C (77 ± 1.8°F) durante 1 hora.
f. Se mide la altura de los especímenes acondicionados con agua, de acuerdo con la norma
INV E – 744 y se determina el volumen por el método de la norma INV E – 733.
g. Se determina el volumen del espécimen parcialmente saturado de acuerdo con la norma INV
E–733. Se determina el volumen de agua absorbida, substrayendo la masa seca en el aire del
espécimen de la masa del espécimen parcialmente saturado y superficialmente seco.
h. Se calcula el grado de saturación dividiendo el volumen del agua absorbida por el volumen
de vacíos con aire del espécimen y se expresa como porcentaje. Un grado de saturación que
exceda a 80% es aceptable.
i. Se determina la resistencia a la tensión en estado 25 ± 1°C (77 ± 1.8°F).
j. Se coloca un espécimen en el aparato de carga, con las franjas de carga centradas y
paralelas, en el plano diametral vertical. Se aplica una carga del diametral a una rata de
deformación 50 mm/min (2”/ min) hasta que se alcance la carga máxima y se registra.
k. Se continúa cargando hasta fracturar el espécimen.
(Especificaciones Técnicas. INVÍAS, 2013)
28
CALCULOS
La resistencia a la tensión indirecta se calcula con la expresión:
Donde RTI: Resistencia a la tensión indirecta, Kpa;
: Carga máxima, N;
: Altura del espécimen inmediatamente antes del ensayo, mm;
: Diámetro del espécimen justo antes del ensayo, mm.
Ensayo por el método Marshall
Finalmente realizamos el ensayo denominado “Resistencia de mezclas asfálticas en caliente
empleando el aparato Marshall”, rigiéndonos a la norma INVIAS, INV E–748–13, que describe
el procedimiento que se debe seguir para la determinación de la resistencia a la deformación
plástica de especímenes cilíndricos de mezclas asfálticas para pavimentación, empleando el
aparato Marshall. El método es aplicable a mezclas elaboradas con cemento asfáltico y
agregados pétreos con tamaño máximo menor o igual a 25.4 mm (1”).
El alcance por el cual se realiza el ensayo Marshall en nuestro trabajo de investigación, es
determinar los parámetros de resistencia a la deformación plástica bajo carga monotónica a
través de la relación entre la estabilidad (E) y el Flujo (F), de la mezcla asfáltica natural extraída
de la mina Las Pavas, ubicada en la zona norte del Departamento del Caquetá. En este ensayo, el
porcentaje de asfalto contenido en la asfaltita (tal como sale dela mina) se determina en la
caracterización cuantitativa de los materiales. También mediante este ensayo se mide la
29
composición volumétrica de la mezcla (% de vacíos a partir de las gravedades específicas de los
materiales empleados y de las briquetas de ensayo). (INVÍAS, 2013)
Resumen del Método
El procedimiento consiste en la fabricación de probetas cilíndricas de 101.6 mm (4") de diámetro
y 63.5 mm (2½") de altura, preparadas como se describe en esta norma, rompiéndolas
posteriormente en la prensa Marshall y determinando su estabilidad y deformación. Si se desean
conocer los porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se determinarán previamente las
gravedades específicas de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del
ensayo de rotura, de acuerdo con las normas correspondientes.
El procedimiento se inicia con la elaboración de las briquetas de ensayo, para lo cual los
materiales propuestos deben cumplir con las especificaciones de granulometría y demás fijadas
para el diseño proyecto. En nuestro trabajo de investigación fabricamos tres (3) briquetas de
ensayo de la muestra extraída (tal como sale de la mina). Se deberá determinar previamente la
gravedad específica bulk de los agregados, así como la gravedad específica del asfalto, y se
deberá efectuar un análisis de Densidad- Vacíos de las probetas compactadas. (INVÍAS, 2013)
Ensayo de estabilidad y flujo
Se colocan las probetas en un baño de agua durante 30 o 40 minutos o en el horno durante 2
horas, manteniendo el baño o el horno a 60° ± 1° C (140° ± 1.8° F).
Se limpian perfectamente las barras guías y las superficies interiores de las mordazas de ensayo
antes de la ejecución de éste, y se lubrican las barras guías de tal manera que la mordaza superior
se deslice libremente. La temperatura de las mordazas se deberá mantener entre 21.1°C y 37.8° C
(70° F a 100° F), empleando un baño de agua cuando sea necesario
30
Se retira una probeta del baño de agua u horno y se coloca centrada en la mordaza inferior; se
monta la mordaza superior con el medidor de deformación y el conjunto se sitúa centrado en la
prensa.
Se coloca el medidor de flujo en posición, se ajusta a cero, y se mantiene su vástago firmemente
contra la mordaza superior mientras se aplica la carga de ensayo.
Se aplica, a continuación, la carga sobre la probeta con la prensa a una rata de deformación
constante de 50.8 mm (2") por minuto, hasta que ocurra la falla, es decir cuando se alcanza la
máxima carga y luego disminuye, según se lea en el dial respectivo. Se anota el valor máximo
de carga registrado en la máquina de ensayo o, si es el caso, la lectura de deformación del dial
indicador, la cual se convierte a carga, multiplicándola por la constante del anillo. El valor total
en Newtons (kgf) que se necesite para producir la falla de la muestra se registrará como su valor
de Estabilidad Marshall.
Si el espesor de la probeta es diferente de 63.5 mm, el valor registrado de Estabilidad Marshall
deberá ser corregido, multiplicándolo por el factor que corresponda.
Se anota la lectura en el medidor de flujo en el instante de alcanzar la carga máxima. Este será el
valor del "flujo" para la probeta, expresado en mm, e indica la disminución de diámetro que sufre
la probeta entre la carga cero y el instante de la rotura. El procedimiento completo, a partir de la
sacada de la probeta del baño de agua, se deberá completar en un período no mayor de 30
segundos. (INVÍAS, 2013)
31
9. RESULTADOS Y ANALISIS
Análisis Granulométrico de los Agregados INVIAS, INV E-213-13
Se efectuó la respectiva gradación de las partículas que componen la mezcla asfáltica natural y
hallamos la siguiente granulometría (ver tabla 2):
Proyecto: Caracterización de los materiales Fecha: 28 abril de 2019
Descripción: Mezcla Asfáltica Natural "Asfaltita" Fuente: Mina Las Pavas
Norma Ref: INV-E-732-13 INV-E-213-13
P1= 897.4 g
P2= 725.7 g
#
TAMI
Z
ABERTURA
(mm)
PESO
RETENIDO (gr)
%
RETENID
O
% RETENIDO
ACUMULADO % PASA
3/4" 19 0.0 0.0 0.0 100.0
1/2" 12.5 0.0 0.0 0.0 100.0
3/8" 9.5 5.3 0.6 0.6 9.4
4 4.75 11.9 1.3 1.9 98.1
10 2 49.4 5.5 7.4 92.6
40 0.425 246.1 27.4 34.9 65.1
80 0.177 329.1 36.7 71.5 28.5
200 0.075 83.9 9.3 80.9 19.1
-200 -0.075 171.7 19.1 100.0 0.0 Tabla 2 Gradación partículas que componen la mezcla asfáltica natural.
Figura 9 Curva Granulométrica Mezcla Asfáltica Natural Mina Las Pavas.
32
Se puede evidenciar que los agregados pétreos de la mezcla asfáltica en su estado natural tal
como sale de la mina, presenta tamaños menores (tamiz ½”= 12.5 mm) al tamaño máximo
permitido de 19 mm (3/4”), según “Especificación particular Art. 442P. INVÍAS, 2013”.
De la presente gradación se puede demostrar que esta mezcla de asfalto natural está compuesta
principalmente por un alto porcentaje de arenas finas, debido a que está pasando 98.1% por el
tamiz 4.75 mm, y en el #200 retiene un 80.9%.
Se comprueba que esta mezcla natural no se encuentra dentro de las franjas granulométricas de
los agregados combinados para la construcción de capas asfálticas, según criterios de diseño de
mezclas referenciados en la especificación particular del INVIAS, Articulo 442P-17. Los
resultados obtenidos en nuestro estudio se aproximan al tipo de gradación MAN-19 (Mezcla
asfáltica Natural 19 mm), diseño que se podría escoger como fórmula de trabajo para
cumplimiento. Mirar Tabla 1. Franjas granulométricas de los agregados combinados para la
construcción de capas asfálticas con una mezcla asfáltica natural.
Esto nos demuestra que la mezcla asfáltica natural que estamos estudiando requiere un ajuste en
su granulometría, mediante la adición de agregados pétreos combinados, alcanzando los límites
de gradación, solicitados en los criterios de diseño de la especificación particular del INVIAS,
Articulo 442P-17.
#
TAMIZ
ABERTURA
(mm) MAN-19
3/4 19.00 100 100
1/2 12.50 80 95
4 4.75 50 65
8 2.36 35 50
50 0.30 13 23
200 0.075 3 8 Tabla 3 Gradación mezcla asfáltica natural MAN19.
33
Figura 10 Curva granulométrica de mezcla asfáltica natural estudio vs MAN19.
COMPARACION CON GRANULOMETRIA MEZCLA DENSA MD12 (IDU 2011)
Ahora para conocer el comportamiento de los asfaltos naturales “Asfaltita” frente a una mezcla
densa en caliente, vamos a realizar un comparativo con la caracterización granulométrica en su
límite inferior y superior de una mezcla densa MD12, diseño del Instituto de Desarrollo Urbano
(IDU), como se muestra en la tabla 4.
Tipo de mezcla
Tamiz (mm/U.S. Standard)
37.5 25.0 19.0 12.5 9.5 4.75 2.00 0.425 0.180 0.075
1 1/2 ” 1” 3/4 ” 1/2 ” 3/8 ” No. 4 No. 10 No. 40 No. 80 No. 200
% Pasa
Densa MD 10 100 80-95 59-76 36-51 15-25 9-18 5-10
MD12 100 80-95 71-87 49-65 30-44 14-22 8-16 4-9
MD 20 100 80-95 66-82 59-75 42-58 27-41 12-22 8-16 4-9
Semidensa MS 12 100 80-95 67-83 40-56 23-39 10-20 6-13 3-8
MS 20 100 80-95 66-82 55-71 35-51 23-39 10-20 6-13 3-8
MS 25 100 80-95 73-89 60-76 53-69 33-49 23-39 10-20 6-13 3-8
Gruesa MG 20 100 75-95 55-75 46-66 28-46 17-32 7-17 4-11 2-6
MG 25 100 75-95 65-85 47-67 40-60 29-46 17-32 7-17 4-11 2-6
Alto
modulo
MAM
20
100 80-95 66-82 55-71 35-51 23-39 10-20 8-14 6-9
Tabla 4 Granulometría agregados para mezclas asfálticas en caliente. Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano-IDU.
Especificaciones Técnicas, 2011).
0
20
40
60
80
100
0,010,101,0010,00100,00
Po
rce
nta
je q
ue
pas
a (%
)
Diametro de la particula (mm)
Curva Granulometrica Diseño MAN19 vs Asfaltita
Granulometria Limite Superior MAN-19
Granulometria Limite Inferior MAN-19
34
Figura 11 Comparación Curva granulométrica MD-12 con gradación de la Asfaltita.
La gradación de la mezcla asfáltica natural “Las Pavas” no se encuentra dentro de los límites de
franjas granulométricas de los agregados pétreos como criterio de diseño de la mezcla MD-12.
Lo que significa, que cada uno de estos diseños de mezcla en estudio, presentan un contenido de
material pétreo con gradaciones distintas, generando una diferencia de comportamiento en sus
características físico-mecánicas. En la Asfaltita predomina los agregados finos (arenas), mientras
que en la MD12 presenta una gradación variable en cuanto a sus tamaños.
Para que las condiciones mecánicas de los dos tipos de mezclas tengan un comportamiento
análogo, la curva granulométrica de la Asfaltita debe ser ajustada a una media entre los límites
de gradación inferior y superior de la MD-12, mediante la combinación optima de los agregados.
35
Extracción cuantitativa del contenido de asfalto
Mediante este ensayo de extracción cuantitativa de la mezcla asfáltica natural, conocimos el
contenido de asfalto inherente en la Asfaltita. En la siguiente tabla 5. Se establecen los pesos
tomados para calcular el contenido de asfalto:
ACTIVIDAD PESO (g)
Peso del recipiente 112.1
Muestra sin centrifugar (P1) 1000
Muestra Inicial + Recipiente 1112.1
Peso después del lavado a gasolina + Recipiente 998.9
Peso después del lavado sin recipiente 886.8
Peso muestra después de meterla al horno + recipiente 997.8
Peso muestra después de meterla al horno sin recipiente 885.7
Peso de la muestra después del lavado + recipiente 982
Peso de la muestra después del lavado 869.9
Material Pasa Tamiz #200 15.8
Peso filtro antes de centrifugado 14
Peso filtro después de centrifugado 25.7
Material depositado en el filtro 11.7
Peso Total muestra (P2) 897.4
% Asfalto 10.26 Tabla 5 Pesos tomados para calcular el contenido de asfalto.
ENSAYO No 1 2 PROMEDIO
P1 1000
10.26 P2 897.4
DIFERENCIA 102.6
% ASFALTO 10.26 Tabla 6 Calculo del contenido de asfalto.
36
El contenido de asfalto (%) en la mezcla asfáltica natural de la Mina Las Pavas es de 10.26%,
considerado en la especificación particular del INVIAS, Articulo 442P-17, como un porcentaje
alto (Mayor al 10%).
Conociendo el alto contenido de asfalto en la presente mezcla asfáltica natural de investigación,
resulta viable realizar ajustes necesarios en su estructura para mejorar condiciones mecánicas,
mediante la adición de un agregado de aporte para en cumplimiento de los requerimientos
establecidos en la especificación particular del INVIAS, Articulo 442P-17.
El contenido de asfalto puede variar según el origen y la fuente de explotación.
Ensayo Cántabro.
Por medio de este ensayo determinamos el valor de la pérdida por desgaste de las mezclas
asfálticas empleando la máquina de Los Ángeles.
Se calcula el resultado del ensayo de pérdida por desgaste para cada probeta ensayada, mediante
la expresión:
Donde:
= Valor de la pérdida por desgaste, en porcentaje (%)
= Masa inicial de la probeta, en gramos, y
= Masa final de la probeta, en gramos.
37
Resultados obtenidos en el ensayo de laboratorio:
Proyecto: Cántabro pérdida por desgaste Fecha: 14 mayo de 2019
Descripción: Mezcla Asfáltica Natural "Asfaltita" Fuente: Mina Las Pavas
Norma Ref: INV-E-760-13
Referencia 30 RPM 30 RPM 30 RPM
Muestra 4 5 6
Condición de la muestra Seca Seca Seca
Descripción Asfaltita Asfaltita Asfaltita
Masa muestra inicial (P1) (g) 1,011.00 1,021.60 1,025.70
Masa muestra final (P2) (g) 974.10 764.30 1,007.40
Perdida (g) 36.90 257.30 18.30
Porcentaje de perdida (%) 3.65 25.19 1.78
Promedio Porcentaje de perdida 10.21 Tabla 7 Resultados de laboratorio Ensayo Cantabro.
El valor promedio calculado en las tres (3) briquetas ensayadas en el laboratorio, nos arrojó un
porcentaje del 10.21%. Con estos resultados podemos conocer una propiedad mecánica de
mezcla asfáltica natural, que es la pérdida por desgaste.
Teniendo en cuenta el resultado que obtuvimos en la muestra #5 con un porcentaje de 25.19%,
presentó una gran diferencia con los resultados de las muestras #4 y #6, se concluye que se
presentó un problema en la fabricación de la briqueta.
El comparativo con el requerimiento “Desgaste máximo en la máquina de los ángeles” no se
logra realizar, debido a que la especificación particular del INVIAS, Articulo 442P-17, no
establecen los parámetros de aceptación mínimos.
Por medio de este ensayo, evidenciamos que la muestra #4 y #6 presenta una buena resistencia a
la disgregación de la mezcla, ante los efectos abrasivos y de succión originados por el tráfico.
Igualmente presenta una buena cohesión y trabazón entre los agregados de la mezcla a
temperatura ambiente.
38
Imagen 1 Ensayo cántabro.
39
Ensayo de Tracción Indirecta
Mediante este ensayo mecánico logramos conocer la carga máxima de rotura a tracción
“Estabilidad” de la mezcla asfáltica natural en laboratorio y la resistencia a la tensión indirecta
(RTI) en estado seco. El RTI se calcula por medio de la siguiente expresión:
A continuación, presentamos registro fotográfico y los resultados obtenidos:
Imagen 2 Ensayo de Tracción Indirecta.
40
Proyecto: Susceptibilidad al agua de las mezclas asfálticas compactadas utilizando prueba de Tracción Indirecta Fecha: 28 de abril de 2019
Descripción: Mezcla Asfáltica Natural "Asfaltita" Fuente: Mina Las Pavas
Norma Ref: INV-E-725-13
Peso específico de los agregados: 2.562
Peso específico del asfalto: 1.02
Peso en Gramos Peso Especifico Volumen - % Total
N
o
%
Asfalto
Espes
or Muest
ra
(mm)
Diametro Muestra
(mm)
Seca en
Aire
S.S.S En
aire En Agua Volum.
Peso
Unit
TN/M3
Max. Teoric
o
Asfalto Agregados Vacíos (%) Volum.
Vacíos con
aire
Carga
(N)
Resist. Tracción
RTI (Kpa)
A B C D E F G H I J K L M N O P
F-G E/H
Asf
Ag
100-K-L
[ ]
1 10.26 67.1 101.6 1027.0 1027.4 467.6 559.8 1.834 2.22 18.45 64.26 17.29 96.77 900.0 84.04
2 10.26 68.3 101.6 1024.7 1026.1 473.5 552.6 1.854 2.22 18.65 64.95 16.40 90.60 920.0 84.40
3 10.26 68.4 101.6 1019.1 1020.0 466.5 553.5 1.841 2.22 18.52 64.49 16.99 94.03 960.0 87.94
Promedio
. 1.843 2.22 18.54 64.57 16.89 93.8 926.7 85.46
Tabla 8 Resultados obtenidos en laboratorio, ensayo de Tracción Indirecta.
41
Para el presente estudio de investigación, vamos a comparar la carga máxima de rotura a tracción
que nos está arrojando el ensayo, con la estabilidad mínima aceptable según los Criterios de
diseño Marshall del Instituto Norteamericano del Asfalto (tabla 9), citados en especificación
particular del INVIAS, Articulo 442P-17.
CARACTERISTICAS Mínimo Promedio Máximo
Grado de curado
% Solvente evaporado
para mantenimiento
para pavimentación
25
50
Numero de golpes por capa 75
% Vacios por mezcla 3 - 5
% Vacios en los agregados Ver Tabla 442-9
Estabilidad lb. (25°C)
Para mantenimiento
para pavimentación
500
750
Flujo 0.01” (25°C) 8 16
Estabilidad residual
Después de inmersión
Durante 4 días a 25°C
75
Tabla 9 Criterios Marshall del Instituto Norteamericano del Asfalto Fuente: especificación particular del INVIAS, Articulo
442P-17.
Los resultados de la carga máxima de rotura a la tracción indirecta “Estabilidad” en cada una de
las briquetas ensayadas, nos arrojó valores que se encuentran por debajo de la estabilidad mínima
requerida para pavimentación, por lo tanto, no cumple. El porcentaje de vacíos presente en la
Asfaltita no cumple debido que, se encuentra por encima del requerido, ver tabla 10. Estos
parámetros evaluados nos están indicando que la mezcla asfáltica natural “mina las Pavas”,
presenta altos porcentaje de vacíos generando alta susceptibilidad a la humedad e influyendo en
el decrecimiento del índice de estabilidad, lo cual es necesario mejorar la mezcla con la adición
de agregados pétreos a la misma temperatura.
42
Parámetros
Especificación
particular
INV, Art. 442P-17
Mezcla Asfáltica Natural Las Pavas
Resultado Carga Max. Rotura (Kg)
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3
Estabilidad Mínimo (Kg) Mantenimiento 500
91.8 93.8 97.9
Pavimentación 750
% Vacíos Min. 3 – Max. 5 17.3 16.4 17.0
No Cumple No Cumple No Cumple
Tabla 10 Análisis resultados ensayo Tracción Indirecta mezcla asfáltica natural.
Ensayo por el método Marshall
Por medio de este ensayo mecánico se determinaron los parámetros de resistencia (Estabilidad
máxima, deformación) y los parámetros volumétricos (% de vacíos a partir de las gravedades
específicas de los materiales empleados y de las briquetas de ensayo) presentes en la mezcla
asfáltica natural extraída de la mina Las Pavas, localizada en el Departamento del Caquetá.
COMPARACION DE RESULTADOS CON CRITERIOS DE DISEÑO DEL INSTITUTO
DE DESARROLLO URBANO (IDU, 2011) Y LA ESPECIFICACIÓN PARTICULAR
INV, ART. 442P-17.
Para tener un parámetro de comparación de los resultados obtenidos del presente trabajo de
investigación con los criterios de diseño de mezclas especificadas por el Instituto de desarrollo
Urbano 2011 (IDU) transito NT1, se comparan los resultados de los parámetros de resistencia y
volumétricos. Igualmente se hace un análisis comparativo con los resultados de una mezcla
densa MD12, diseño del Instituto de Desarrollo Urbano (Urbano-IDU., 2011), ver tabla 11.
(Urbano-IDU., 2011)
43
Parámetros Criterio
Diseño
IDU, 2011
Criterio
Diseño
INV- Art
442P-17
Mezcla Densa, Semidensa,
Gruesa
Cumple
Diseño
IDU, 2011
S/N
Cumple
Diseño
INV- Art
442P-17
S/N
Transito
NT1
Transito
NT1
MD-12
IDU, 2011
MAN
"PAVAS"
Estabilidad mínima (Kg) 600 750 1435 174.0 NO NO
Flujo Marshall (mm) 2 - 4 8 - 16 3.1 4.5 NO NO
Estabilidad/Flujo (Kgf/mm) 200-400 - 463 40.8 NO -
Gravedad Especifica Bulk N.A - 2207 2059 NA -
Vacíos con Aire - Va (%) 4.0 - 6.0 3.0 - 5.0 4.8 7.20 NO NO
Vacíos en los Agregados Minerales -
VAM (%)
Min 15 Min 15 16.4 27.9 SI SI
Vacíos Llenos de Asfalto-VFA (%) 65 - 75 - 69 74.2 SI -
Contenido Óptimo de Asfalto (%) N.A - 5.8 10.26 NA -
Tabla 11 Comparativos Criterios diseño IDU, 2011. Mezcla MD-12, Asfaltita “Pavas”.
A continuación, se presenta cuadro de resultados ensayo por el método Marshall de la mezcla
asfáltica natural “Mina Las Pavas”:
44
Imagen 3 Elaboración de briquetas de ensayo y Ensayo Marshall
45
Proyecto: Resistencia de mezclas asfálticas en caliente empleando el Método Marshall Fecha: 28 de abril de 2019
Descripción: Mezcla Asfáltica Natural "Asfaltita" Fuente: Mina Las Pavas. Dpto. Caquetá
Norma Ref: INV-E-748-13
Peso específico de los agregados 2.562 Peso específico del asfalto: 1.02
Peso en Gramos Peso Especifico Volumen - % Total Vacíos % ESTABILIDAD
N
o %
Asfalt
o
Espe
sor
Mue
stra
(mm
)
Sec
a
en
Air
e
S.S
.S
En
air
e
En
Agua
Vol
um.
Pes
o
Unit
TN/
M3
Teo
rico
Asfalto Agreg
ados
Vací
os
Agre
gado
Mezcla
Total
Llenos Peso
Unit
Lbs/Pi
e3
Medid
a (Kgf)
Corre
gid
(N)
Fl
ujo
0.0
1
(m
m)
Fact
or
Cor
rec.
Rigid
ez
E/F
KN/m
m
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U
E-F D/G
Asf
Ag
100-
J-K
100-
K
R/S
1 10.26 65 1019.2
993.8
493.7 500.1
2.038
175 1785 4.6 1.04 0.39
2 10.26 67 104
1.4
99
2.7
494.6 498.
1
2.09
1
182 1856 4.2 1.04 0.44
3 10.26 65 103
3.1
99
6.6
491.9 504.
7
2.04
7
164 1673 4.7 1.04 0.36
2.05
9
2.22 20.71 72.11 7.19 27.89 7.19 74.23 128.45 1771 4.5
0
0.40
Tabla 12 Resultados ensayo por el método Marshall Mezcla asfáltica natural “Las Pavas
46
”.Analizando los resultados “Estabilidad” en cada una de las muestras ensayadas, se obtuvieron
valores por debajo de la estabilidad mínima requerida, tanto para el criterio de diseño de mezclas
del Instituto de desarrollo (Urbano-IDU., 2011) transito NT1, como para el criterio de diseño de
mezclas de la especificación particular INV, Art. 442P-17, como se ilustra en la figura 12. Estos
datos paramétricos demuestran que la Asfaltita presenta baja resistencia a cargas de transito
categoría NT1 y un alto potencial de falla por agrietamiento y ahuellamiento.
Figura 12 Resultados de estabilidad en de cada briqueta
Figura 13 Criterios de diseño de estabilidad IDU 2011 – Especificación INV Art 442P
1.600
1.650
1.700
1.750
1.800
1.850
1.900
0 1 2 3
Esta
bili
dad
- (
N)
Numero de Briqueta
Numero Briqueta - Estabilidad
1.600
2.600
3.600
4.600
5.600
6.600
7.600
0 1 2 3
Esta
bili
dad
- (
N)
Numero de Briqueta
Numero Briqueta - Estabilidad
Criterio Diseño IDU 2011 Criterio Diseño Espec. INV Art 442P
47
Respecto al flujo “desplazamiento en el momento de la falla” la mezcla asfáltica natural está por
debajo del flujo mínimo requerido como criterios de diseño de mezclas citados en la
especificación particular INV, Art. 442P-17; lo que indica que la Asfaltita presenta buen
comportamiento ante las deformaciones elásticas a compresión por efecto de las solicitaciones
del tránsito. Según criterios de diseño de mezclas del Instituto de desarrollo Urbano 2011
(Urbano-IDU., 2011) transito NT1, el flujo de la Asfaltita se encuentra muy cerca al límite
superior de aceptación (2-4 mm), pero no estaría cumpliendo.
La figura 14 nos muestra que el valor de la estabilidad es inversamente proporcional al flujo,
queriendo decir que, a mayor estabilidad el desplazamiento va a ser menor, y cuando la
estabilidad sea menor, su desplazamiento aumenta. Este comportamiento se asocia como
consecuencia al alto contenido de asfalto y grandes porcentajes de vacíos presentados en la
mezcla asfáltica natural; incrementando su condición elástica y reacomodación de sus agregados
al aplicar las cargas de estabilidad menores.
Figura 14 Comportamiento del flujo respecto la estabilidad.
1.650
1.700
1.750
1.800
1.850
1.900
1.950
3,5 4,5
Esta
bili
dad
- (
N)
Flujo (mm)
Estabilidad VS Flujo
48
Referente al % de vacíos presentado en la mezcla asfáltica natural “Mina Las Pavas” (7.20%).
Este valor está por encima de los rangos de aceptación y no cumple con los criterios de diseño de
mezclas establecidos por el Instituto de desarrollo Urbano 2011 (IDU) transito NT1 y tampoco
cumple con criterio de diseño de la especificación particular INV, Art. 442P-17, indicando que
su baja estabilidad y rigidez es consecuencia de los altos porcentaje de vacíos presentados en la
Asfaltita. Por esta razón es necesario mejorar la mezcla con la adición de agregados pétreos con
gradación óptima.
Respecto al parámetro de rigidez (E/F), se concluye que, a mayor valor de estabilidad, la rigidez
de la mezcla va a aumentar de forma proporcional. Ver figura 15.
Figura 15 Comportamiento de la rigidez respecto la estabilidad.
1.650
1.700
1.750
1.800
1.850
1.900
0,0 1,0
Esta
bili
dad
- (
N)
Rigidez (KN/mm)
Estabilidad VS Rigidez
49
10. CONCLUSIONES
Mediante el proceso de la caracterización de materiales de la mezcla asfáltica natural, se
comprobó que la composición granulométrica está conformada principalmente por un
alto porcentaje de arenas finas.
La curva de gradación de la Asfaltita no se encuentra dentro de las franjas
granulométricas de los agregados tanto para el criterio de diseño de mezclas de la
especificación particular INV, Art. 442P-17, como en el diseño de la mezcla MD-12 del
Departamento de desarrollo Urbano IDU, 2011.
Conociendo el alto contenido de asfalto (10.26%) en la mezcla asfáltica natural de
investigación, resulta viable realizar ajustes necesarios en su estructura para mejorar
condiciones mecánicas, mediante la adición de agregado de aporte para cumplir con
diseños del INVIAS, Articulo 442P-17.
Se evidencio en el ensayo de tracción indirecta, que la mezcla asfáltica natural presenta
altos porcentaje de vacíos, generando alta susceptibilidad al contacto con el agua e
influyendo en el decrecimiento de su estabilidad.
La estabilidad en las briquetas ensayadas, resultó tener valores muy bajos que no
cumplen con los criterios de diseño de la especificación particular INVIAS, Articulo
442P-17, es necesario ajustar su estructura con la adición de agregados pétreos.
50
El valor de la estabilidad es inversamente proporcional al flujo, queriendo decir que, a
mayor estabilidad el desplazamiento va a ser menor, y cuando la estabilidad sea menor,
su desplazamiento aumenta. Este comportamiento se asocia al alto contenido de asfalto y
grandes porcentajes de vacíos en la mezcla asfáltica natural.
Se concluye que la mezcla de asfalto natural (tal como sale de la mina Las Pavas), no
cumple con los criterios de diseño de mezclas que plantea la especificación particular del
INVIAS, Articulo 442P-17, “Mezcla asfáltica natural”, como alternativas de
pavimentación utilizando Asfalto Natural en vías con bajos volúmenes de tránsito,
categoría NT1. Pero existe la posibilidad de ajustar sus componentes estructurales para
mejorar condiciones mecánicas, mediante la adición de un agregado de aporte o ligante
asfaltico.
51
RECOMENDACIONES
Realizar la toma de muestras en diferentes zonas de la mina obteniendo mayores valores
de comparación y generando mayor confiabilidad en los resultados.
Realizar un estudio más exhaustivo de la muestra ampliando nuestra investigación,
mediante la realización de otros ensayos de laboratorio para la medición y análisis de la
deformación permanente, vida a fatiga, módulos dinámicos y demás.
Ejecutar la fabricación de un número mayor de briquetas de muestreo, ante la necesidad
de repetir un procedimiento de ensayo por fallas en la elaboración de alguna muestra, tal
como se presentó en la muestra #5 del ensayo cántabro.
Por su alto contenido de asfalto, resulta viable su utilización como agente modificador de
mezclas asfálticas, mejorando las características de rigidez y resistencia a las
deformaciones permanentes de una mezcla ante las solicitaciones del tránsito.
52
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content/uploads/2014/06/asfalto_13.pdf
GLOSARIO
Calzada: Zona de la vía destinada a la circulación de vehículos. Generalmente pavimentada o
acondicionada con algún tipo de material de afirmado.
Carril: Parte de la calzada destinada al tránsito de una sola fila de vehículos.
Agregado: un material granular duro de composición mineralógica como la arena, la grava, la
escoria, o la roca triturada, usado para ser mezclado en diferentes tamaños.
Base: Capa principal de la estructura de pavimento ubicada entre la subrasante o la subbase y la
capa de rodadura.
Pavimento: Estructura constituida por una serie de capas (Subbase, Base y Capa de Rodadura)
dispuesta sobre la subrasante, que tiene como propósito mejorar las condiciones naturales del
terreno y brindar al usuario las condiciones de comodidad y seguridad.
Pavimento flexible: Tipo de pavimento constituido por una capa de rodadura bituminosa
apoyada generalmente sobre capas de material no ligado.
55
Asfalto: “Un material cementante, de color marrón oscuro a negro, constituido principalmente
por betunes de origen natural u obtenidos por refinación del petróleo” (ASTM D8).
Asfalto natural: Asfalto que ocurre en la naturaleza y que ha sido derivado del petróleo por
procesos naturales de evaporación de las fracciones volátiles, dejando así las fracciones
asfálticas.
Período de diseño: Es el tiempo para el que se estima que la estructura de pavimento va a
funcionar con un nivel de servicio adecuado, sin requerir actividades de rehabilitación.
Ahuellamiento: Surcos o huellas que se presentan en la superficie de rodadura de una carretera
pavimentada o no pavimentada y que son el resultado de la consolidación o movimiento lateral
de los materiales por efectos del tránsito.
Tamiz: Aparato, en un laboratorio, usado para separar tamaños de material, y donde las
aberturas son cuadradas.
Viscosidad: Es una medida de la resistencia al flujo es un método usado para medir la
consistencia del asfalto.
Consistencia: Describe el grado de fluidez o plasticidad de un cemento asfáltico a determinada
temperatura. La consistencia del cemento asfáltico varía con la temperatura; por lo tanto, es
necesario usar una temperatura patrón. La temperatura patrón es de 60°C (140°F).
56
Ductilidad: La habilidad de una sustancia de ser estirada o estrechada en forma delgada. Aun
cuando la ductilidad se considera como una característica importante del cemento asfáltico en
muchas de sus aplicaciones.
Flexibilidad: La habilidad de un pavimento asfáltico para ajustarse a asentamientos en la
fundación. Generalmente, un alto contenido de asfalto mejora la flexibilidad de una mezcla.
Deformación: La deformación de un pavimento es cualquier cambio que presente el pavimento
con respecto a su forma original.
Impermeabilidad: La capacidad de un pavimento asfáltico de resistir el paso de aire y agua
dentro a través del mismo.
Porosidad: Propiedad de un cuerpo que se caracteriza por la presencia de vacíos en su
estructura.
Vacíos: Espacios vacíos en una mezcla compactada rodeados de partículas cubiertas de asfalto.
Volumen de Vacíos: Cantidad total de espacios vacíos en una mezcla compactada.
Compactación: Proceso manual o mecánico que tiende a reducir el volumen total de vacíos de
suelos, mezclas bituminosas, morteros y concretos frescos de cemento Portland.
57
Consolidación: Reducción gradual en volumen de un suelo, como resultado de un incremento de
las tensiones de compresión.
Cohesión: La resistencia al corte de un suelo, a una tensión normal.
Penetración: La consistencia de un material bituminoso expresada como la distancia, en
décimas de milímetro (0.1mm), que una aguja patrón penetra verticalmente en una muestra de
material, bajo condiciones específicas de carga, tiempo y temperatura.
Resistencia a La Fatiga: La habilidad de un pavimento asfáltico para resistir flexión de asfalto,
mayor será la resistencia a la fatiga.
Contracción: Esfuerzo volumétrico asociado con un decrecimiento en sus dimensiones
Granulometría: Representa la distribución de los tamaños que posee el agregado mediante el
tamizado según especificaciones técnicas.
Módulo Resiliente: También llamado módulo elástico-dinámico de los materiales que
conforman una estructura de pavimento.
CBR (California Bearing Ratio): Valor relativo de soporte de un suelo o material, que se mide
por la penetración de una fuerza dentro de una masa de suelo.
58
Contenido de Humedad Óptimo: Es el contenido de humedad al cual un suelo ó material
granular al ser compactado utilizando un esfuerzo especificado proporciona una máxima
densidad seca.
Contenido de Humedad: Volumen de agua de un material determinado bajo ciertas condiciones
y expresado como porcentaje de la masa del elemento húmedo.
Corte (directo): Ensayo según el cual un suelo sometido a una carga normal falla al moverse
una sección con respecto a otra.
Ensayo Marshall: Procedimiento para obtener el contenido de asfalto y diferentes parámetros de
calidad de una mezcla bituminosa.
Ensayo SPT (Standard Penetration Test): Medida de la resistencia de un suelo al ser hincado
en el terreno, un muestreador o instrumento.
Equivalente de Arena: Proporción relativa del contenido de polvo fino nocivo (sucio) o
material arcilloso en los suelos o agregados fino
Limite Liquido: Contenido de agua del suelo entre el estado plástico y el líquido de un suelo.
Limite Plástico: Contenido de agua de un suelo entre el estado plástico y el semi- sólido.
59
ANEXOS
60
1
1
